opv陽極表面修飾技術(shù)

OPV陽極表面修飾技術(shù)

研究表明，由于OPV陽極的費(fèi)米能級與有機(jī)層的費(fèi)米能級不匹配，它們之間有很高的勢壘高度，因此空穴注入效率較低，為了提高空穴的注入效率，陽極必須采用高功函數(shù)的材料，例如半透明金屬（如Au）、透明導(dǎo)電聚合物（如聚苯胺，PAN）、半導(dǎo)體金屬氧化物（如SnO2、In2O3、CdO、ZnO、Sb2O3、PbO、Au+Ag/SiO2）、ITO（氧化銦/錫Indium

tin

oxide）等。對陽極的修飾主要是提高其功函數(shù)，使其表面平整、平滑以擴(kuò)大電極與有機(jī)層的接觸面積，從而實現(xiàn)降低空穴注入勢壘、提高注入效率的目的。1.ITO陽極修飾因為ITO具有高可見光透過率、良導(dǎo)電性、良基片黏附性、高功函數(shù)等特點，所以有機(jī)太陽能電池器件一般都采用ITO作為陽極。ITO的功函數(shù)依賴其表面的形態(tài)結(jié)構(gòu)，為了克服ITO表面的結(jié)構(gòu)缺餡，往往對其進(jìn)行改性處理。改進(jìn)方法主要有機(jī)械拋光處理、退火處理、在ITO與有機(jī)物間插入一層絕緣緩沖層、離子束濺射、在表面覆蓋一層薄金屬膜、優(yōu)化ITO制備條件等?，F(xiàn)在普遍采用在ITO與有機(jī)層間插入緩沖層PEDOT:PSS，同ITO共同作為空穴收集極。該物質(zhì)是一種摻雜的導(dǎo)電聚合物，具有良好的光電穩(wěn)定性、透光率以及窄的能隙，由于PEDOT的功函數(shù)大于ITO的功函數(shù)，所以在結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PSS/POPT/A1的器件中，PEDOT:PSS的存在比單純的ITO/POPT界面更有利于載流子的收集，實驗結(jié)果也證明前者的電流密度要大于后者。但是PEDOT:PSS材料性質(zhì)不穩(wěn)定，易于與ITO發(fā)生界面反應(yīng)，導(dǎo)致器件性能的衰減。Shrotriya等人嘗試用新材料V2O5和MoO3替代上述修飾層，并使用原子顯微鏡AFM觀察被修飾后的ITO表面形貌，圖像表明表面變得更加平滑、平整。通過原子顯微鏡（AFM）觀察發(fā)現(xiàn)，納米金（Au）層與PEDOT:PSS層相比，表面更加平整，導(dǎo)電性更好，所以用它來修飾ITO后，它的功函數(shù)會顯著提高（約5.1

eV），這就有效降低了空穴注入勢壘，同時發(fā)現(xiàn)器件的壽命也得到了延長。

Kim認(rèn)為采用單分子自組裝技術(shù)在陽極表面生長單分子層可以改變陽極的表面能并改善有機(jī)層表面形態(tài)缺陷，2007年，他在陽極ITO表面生長一層單分子層CF3，最后器件經(jīng)過退火處理，實驗證明這不僅優(yōu)化了器件的結(jié)構(gòu)，而且顯著提高空穴注入陽極的能力。2.新型電極材料由于地球上In元素不僅稀少，而且危害環(huán)境和人類的健康，所以有必要尋求新的陽極材料來替代ITO材料，這樣就可獲得成本較低而性能優(yōu)良的器件。近年來，一些人嘗試用ZnO來取代ITO，這種材料彌補(bǔ)了ITO材料的不足之處，但它的導(dǎo)電能力較差，通過摻雜Ⅲ族元素（如Ba、Al、Ga、In）后，ZnO膜的透明度和導(dǎo)電性都有所改善。例如選用電極材料ZnO:Al取代ITO，同時用納米金層加以修飾，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電池的并聯(lián)電阻增加，串聯(lián)電阻減小，壽命延長，同時η也提高了一個數(shù)量級。大量實驗證實ZnO:Al層具有收集空穴和電子的雙重能力，同時還可以充當(dāng)減反射層的角色，因此有人在陰陽兩極均采用ZnO:Al材料來實現(xiàn)改善器件性能的目的。ITO除了價格昂貴、危害環(huán)境外，我們也發(fā)現(xiàn)這種導(dǎo)電玻璃機(jī)械性能差，易破碎，不穩(wěn)定，但如果選用單壁碳納米管替代ITO作為有機(jī)光電池的空穴收集極，就可以克服上述缺陷，而且它還具有高電導(dǎo)率和透光率的優(yōu)勢。2006年，Lagemaat等人采用旋涂法制備碳納米管陽極層，但最終得到的器件性能不是特別理想，因此需要進(jìn)一步改進(jìn)。Topinka等人采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在襯底上生長網(wǎng)狀單壁碳納米管，最終所得到的器件性能可與ITO/plastic所制備的相當(dāng)，η可達(dá)2.5%。這種薄膜材料的優(yōu)點在于表面平滑，柔韌性較好，具有較寬的光譜吸收范圍，從紫外、可見延伸至遠(yuǎn)紅外區(qū)都具有很高的透光性，還可實現(xiàn)大面積制造等。3.反型倒置電池中電極修飾

近年來人們開始構(gòu)造新的電池結(jié)構(gòu)即反型倒置模型，即將傳統(tǒng)電池的陰陽電極材料進(jìn)行對換，發(fā)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換效率都有所提高，但同時也需要對電極進(jìn)行修飾。例如制備結(jié)構(gòu)為ITO/Cs2CO3/P3HT:PCBM/V2O5/Al或者Au的器件時，分別用10nm的V2O5修飾陽極Al，1nm的Cs2CO3修飾陰極ITO，結(jié)果顯示太陽能電池的三個性能參數(shù)都有所提高，而在傳統(tǒng)電池中短路電流JSC恰恰相反。2009年，Chen報道了另一種器件結(jié)構(gòu)，使用金屬氧化物材料MoO3修飾柵狀A(yù)l陽極，同時在上層蒸鍍一層ITO薄膜，結(jié)構(gòu)如圖2所示，這樣可以減小器件的串聯(lián)電阻，這種器件具有良好的柔韌性和穩(wěn)定性，同時也克服了低功函數(shù)金屬易氧化不穩(wěn)定的缺陷。另外，我們還可以用雙層MoO3修飾陽極，例如MoO3/Ag/MoO3電極，內(nèi)層的MoO3層可提高空穴注入能力，而外層MoO3不僅降低了器件的串聯(lián)電阻，而且提高了陽極的透過率，因此器件的性能得到了改善。在反型倒置電池中，作為陽極的材料往往反射率很高，不能對太陽光有效地吸收，為了解決這一問題，Meiss采用蒸鍍覆蓋層的辦法來彌補(bǔ)陽極材料反射率高的缺陷，使用Alq3修飾Al/Ag電極，使得η提高了0.37%，這是因為Alq3層可以調(diào)節(jié)內(nèi)部光場分布以滿足對太陽光